c6 - barrera hematoencefálica

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Dr. Esteban Rodríguez

Barrera Hematoencefálica

“Es importante entender los mecanismos por los cuales el medio interno del cerebro se relaciona con el medio externo, ya que esto permite diseñar nuevas herramientas terapéuticas que permiten que los fármacos puedan penetrar lo que se conoce como Barrera Hematoencefálica (BHE)”.

Un poco de historia

La idea de BHE surge tempranamente en los años `20 con un experimento de Paul Ehrlich, investigador que diseñó colorantes vitales y los administró en el agua de bebida de animales experimentales. De esta manera, los colorantes pasaban a la sangre y luego a los tejidos, facilitando el rastreo de rutas y mecanismos de transporte de los vasos sanguíneos de los tejidos y su distribución.

Uno de los colorantes que diseñó, el azul de tripano, al administrarlo en el agua de bebida de los animales o por medio de inyección arterial, se distribuía por todos los tejidos y salía a la sangre por todos los capilares del organismo, siendo transportado por el mecanismo endocítico específico de los nervios o a través de las penetraciones de los capilares fenestrados. Sin embargo a nivel cerebral, el colorante quedaba en la pared de los vasos sanguíneos y no pasaba al tejido cerebral. Con este suceso se comenzó a sospechar que (al menos para este tipo de sustancias) había una barrera que impedía la salida de compuestos de la sangre hacia el plexo nervioso, lo cual despertó un enorme interés en varios científicos de la época, destacándose Morris Kanrnovsky, profesor de Harvard que hizo investigaciones más sistemáticas a nivel microscópico y encontró que efectivamente los colorantes no pasaban al tejido cerebral, salvo en ciertas regiones o zonas en que sí lo hacían: “órganos circunventriculares” (las “ventanitas del cerebro”) que son pequeñas regiones muy especializadas de las paredes ventriculares.La presencia de estos órganos creó toda una discusión, ya que se supone que el tejido nervioso tiene un medio interno sellado, que garantiza que no hay comunicación abierta con el medio externo (que en este caso es la sangre). Sin embargo, actualmente esto se ha aclarado y actualmente se sabe que en estas pequeñas regiones sí existe una barrera, pero que está desplazada desde el lado del endotelio capilar al lado ependimario.

Desde que se demostró la existencia de la barrera, ha habido una serie de investigaciones de diversa índole.

Milton Granovsky, usó otra molécula rastreadora que podía ser observada por microscopio electrónico, la peroxidasa de rábano picante (que al ser de origen vegetal no tenía efectos en animales, proteína neutra) que permitió clarificar considerablemente el complicado laberinto del cerebro por donde se mueven las moléculas.

Barrera Hematoencefálica

La BHE se encuentra entre el medio interno o íntimo del tejido cerebral y el medio externo de este, es decir, entre el cerebro y la sangre, pero en muchos sitios la barrera no está a nivel de los capilares sanguíneos, sino que en otros sitios.

Medio Interno

El medio interno del cerebro está compuesto por el espacio intercelular y el líquido intersticial, ambos muy escasos a nivel del tejido nervioso. El espacio intercelular a nivel cerebral mide tan sólo 20 nm y por él fluye el liquido intersticial (por sistema de flujo en masa) desde el tejido nervioso hacia los ventrículos cerebrales (fuente de formación de líquido céfalo-raquídeo) o hacia el espacio subaracnoideo (por donde también circula el LCR).*El líquido intersticial y el LCR son el mismo compuesto que se va acomplejando a medida que circula.

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Para que la BHE sea eficiente debe estar sellada en todos lados, porque al existir una comunicación entre ambos medios, se expone al cerebro a todo lo que circula por la sangre, resultando incompatible con la vida.

Debe existir una protección frente a compuestos fisiológicos, tales como la adrenalina y noradrenalina. Estas neurohormonas, tienen origen periférico en la glándula adrenal, pero que a nivel de SNC funcionan como neurotransmisor, por lo tanto si al aumentar (en periodos de estrés) éstas pasaran al cerebro activarían todos los sitios donde hay receptores para ellas, rompiendo de esta manera la especificidad del sistema.

Esto mismo, ocurre con los iones (calcio, potasio, sodio) que son regulados muy finamente por el organismo, de tal modo que no pueden permearse al cerebro.Si bien la BHE por tanto, posibilita la función cerebral, a su vez, dificulta la administración de fármacos para modular la actividad sináptica a nivel del sistema nervioso. Sin embargo, existen algunos que logran atravesar la barrera por casualidad, y otros que directamente tienen que ser administrados en dosis muy altas que finalmente logran saturar el sistema del endotelio y entrar (como es el caso de la L-dopa).

La BHE se ubica en distintas secciones del cerebro donde posee componentes celulares y funciones diferentes. Se ubica en:

1) Endotelio (a nivel de los capilares)

La BHE está distribuida en forma heterogénea en el SNC, esto quiere decir, que las arterias que penetran el SNC y se capilarizan, son el principal sustrato, ya que, a diferencia de lo que ocurre en el resto de los tejidos periféricos no realizan intercambio, sino que son sesgados, de tal modo que no dejan pasar nada. Para que esto ocurra el cerebro ha tenido que evolucionar durante millones de años en los cuales el endotelio, la membrana basal y las astroglias han ido desarrollando mecanismos moleculares selectivos de transporte desde los capilares al tejido nervioso.Función: Impedir paso y tienen mecanismos específicos de transportes de compuestos hacia tejidos.

2) Espacio Subaracnoídeo (a nivel de las meninges)

El espacio subaracnoídeo se encuentra entre la capa u hoja interna de la aracnoides y la piamadre, esto es una adquisición de la evolución, ya que en animales no mamíferos, ambas capas se encuentran selladas y se denominan “leptomeninge”, en ellos prácticamente no circula LCR por el espacio externo, salvo en algunas cisternas.En el espacio subaracnoídeo por tanto, hay una circulación LCR que tiene un sentido y un flujo en determinadas direcciones, por lo cual se encuentra protegido por la barrera que se ubica por fuera de la leptomeninge (multicapa celular mesotelial).La última capa de células de la leptomeninge, que mira hacia el espacio subaracnoídeo, se encuentra unida por uniones estrechas (Gap-Junctions) que tienen casi las mismas características que las uniones estrechas del endotelio y que sellan el espacio intercelular.Función: Impedir paso absoluto.

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Capilar Cerebral con células endoteliales selladas por Uniones Estrechas..Tejido Nervioso: Glía, con uniones que no son Gap-Junctions, por lo tanto todo lo que pasa por la barrera del endotelio puede llegar al LCR finalmente.

A nivel de los plexos coroideos, el endotelio está fenestrado, por lo que la sangre puede pasar al espacio pericapilar, y la barrera se encuentra a nivel de las uniones estrechas de las células ependimarias y no puede pasar al LCR.

De tal manera, el medio interno está protegido por la barrera endotelial y la de las células ependimarias a nivel de los plexos coroideos.


Meningitis

El proceso de inflamación de las meninges se produce específicamente en la duramadre y en la hoja externa de la aracnoides y altera la BHE por la liberación de citoquinas y la unión de éstas (por mecanismos moleculares) a las células que forman parte de la barrera gatillando en éstas una respuesta genómica, que hace que dejen de formar ciertas estructuras del citoesqueleto y desarmen las uniones estrechas permitiendo de esta forma el paso de microorganismos patógenos como bacterias, que invaden luego el espacio subaracnoideo y desde allí puede hacer una difusión a todas las meninges.Las meninges son por lo tanto, la principal puerta de entrada de microorganismos patógenos de tipo bacteriano.En el caso de los virus, la puerta de entrada al sistema nervioso, está mediada por vías celulares como la incorporación en las terminales nerviosas o por algún macrófago con partículas virales, que una vez activado pueda unirse al endotelio, y en este abrir la unión estrecha y pasar al otro lado.

3) Plexos Coroideos

A nivel de los plexos coroideos la barrera está desplazada desde el lado capilar hacia el lado ependimario: “Barrera Hemato-líquido céfalorraquídeo”, que en el fondo es lo mismo que la BHE, ya que si bien los compuestos pasan de los capilares que son permeables al espacio pericapilar, lo que está sellado ahora es el epéndimo, siguiendo protegido el medio interno.

La pared ventricular propiamente tal formada por células ependimarias, es una pared permeable porque es a través de ésta, que fluye el líquido intersticial hacia los ventrículos. Importante tener la idea de que esta pared ependimaria no es barrera, por el contrario facilita y controla el flujo en masa del líquido intersticial.

Esquema de los compartimentos

La BHE está formada por:

a) Células endoteliales

Forman la pared de los capilares sanguíneos.Son muy importantes, porque están unidas por uniones estrechas de altísima resistencia (posee 1.000 Ohm de resistencia, a diferencia de las uniones estrechas de otras partes del organismo que tienen 10 Ohm). Son las más estrechas de la naturaleza*, permitiendo el paso de algunas moléculas, como el agua y algunos compuestos lipofílicos. No poseen poros y por ende no hay penetración, por lo tanto todo lo

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que pase desde los capilares al tejido nervioso tiene que pasar por el endotelio y lo hace por mecanismos específicos de transporte.* el sellamiento tiene que ver también con el número de partículas que la forman la unión.

b) Membrana Basal

Formada por un compuesto secretado por las células endoteliales y los pericitos (tienen capacidad proliferativa), que cumple un rol de modulación del transporte de las sustancias que pasaron la barrera endotelial.

c) Pies chupadores de astroglias

Forman una cubierta habitualmente continua. Entre ellas se unen por conexones con lo cual logran un mecanismo de acoplamiento de las células de la glía, que se encuentran rodeando a la membrana basal.

Cuando los vasos sanguíneos de mayor calibre (arterias o arteriolas) entran al cerebro para ramificarse en sus interior, estos penetran la duramadre y la aracnoides , y a este nivel, alrededor de la pared de la arteria las células forman una vellosidad que sella el espacio intercelular alrededor del vaso, por lo tanto desde allí para abajo la arteria circula por el espacio subaracnoideo, pero cuando penetra en la hoja interna de la aracnoides, la arrastra junto con la piamadre hasta un cierto punto, de tal manera que el espacio subaracnoideo se prolonga hasta que la arteria se ramifica en arteriolas, y ya las arteriolas están selladas de la misma manera que los capilares.

Espacio de Virchow-Robin

Es muy importante en patología. Es el espacio donde se acumulan las células inmunocompetentes en los procesos inflamatorios, por lo tanto es la puerta de entrada de las células del sistema inmune, las cuales ingresan al tejido nervioso por mecanismos de transporte a nivel de las meninges y de los plexos coroideos, por sistemas selectivos ligando-receptor, como el de la integrina por ejemplo.En condiciones normales un cierto tipo de leucocitos circula por el LCR.

Un gran hallazgo reciente es la gran cantidad de canales de agua (aquaporinas) que poseen las astroglias para transportar agua.

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Uniones Estrechas

Unión estrecha vista con microscopio óptico y electrónico (con técnica de criofractura)

Componentes Moleculares

Es importante conocerlos ya que su manejo puede facilitar la apertura de la barrera con fines terapéuticos.La unión estrecha está formada por un complejo de proteínas:

- Claudina (5 tipos) - Ocludinas (1 tipo)

Ambas son proteínas de transmembrana, que se encuentran unidas a proteínas citoplasmáticas ZO 1, 2, 3 (zónula occludens) y estas a su vez están unidas a proteínas del citoesqueleto.

Además de las uniones estrechas, las células endoteliales tienen otros medios de unión, mediados por proteínas de unión como las cadherinas que forman uniones adherentes.

En las células endoteliales se expresan receptores: *(43:35)

- --- , esta es una molécula de adhesión intercelular- ---, que tiene afinidad por células que expresan ligandos para estos,- proteína de unión de plaquetas

Para cada uno de esos hay distintos tipos de células hemáticas que tienen receptores o ligandos que se unen. Cuando una célula se une a su receptor, éste desencadena una repuesta celular, genómica, que puede afectar el ensamblaje de los filamentos de actina o la expresión de las proteínas que forman las uniones estrechas, de tal modo que puede acabar con el desarmado de estas, con lo cual el espacio intercelular se hace permeable para el pasaje de células.

¿Qué moléculas entran al cerebro?

Las moléculas pequeñas lipofílicas y aquellas que tienen mecanismos especiales de transporte.

Mecanismos de difusión a través de la BHE.

Difusión pasiva. Mediante transportadores. Mediado por receptores.

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Difusión pasiva (mecanismo inespecífico).

El transporte por mediante difusión pasiva permite el paso de sustancias liposolubles como el alcohol y algunas drogas como la nicotina; como también algunos péptidos pequeños. Dentro de los estudios de difusión pasiva, que permitieron predecir la movilización de sustancias a través de la BHE, se destacan dos: Los coeficientes de partición octanol – agua y aceite – agua. Es importante destacar, que no se correlacionan 100% con la realidad, ejemplos de esto son la dopamina que no permeabiliza la BHE y en estos estudios, en teoría atravesaría un carga mínima. Por lo tanto, sólo son una aproximación estimativa.

Factores modificadores de la difusión pasiva a través de la BHE.

La hidroxilación y la metilación son dos modificaciones bioquímicas que se sabe que disminuyen el paso de de sustancias por vía difusión pasiva. Un ejemplo de esto es la feniletilamina. Éste compuesto difunde muy bien a través de la BHE, sin embargo al agregarle 1 grupo hidroxilo, se trasforma en tiramina y se vuelve impermeable. Lo mismo sucede si le agregan 2 grupos hidroxilos y se transforma en dopamina, también impermeable. Otro factor a tener en cuenta es la presencia de una respuesta inflamatoria y cómo puede modificar el paso de diferentes compuestos. Es el caso de algunos antimicrobianos como la penicilina y sus derivados, que

Se puede apreciar que NO atraviesan la BHE, neurotransmisores como la dopamina y la norepinefrina; desechos metabólicos como la urea, etc. En cambio SI son capaces de difundir: medicamentos como el pentobarbital; hormonas esteroidales como la testosterona, la corticosterona y el estradiol; drogas como el etanol y la cafeína.

1 Coeficiente de partición octanol - aguaEn éste se aprecia algo parecido, sin embargo cabe destacar que algunos antibióticos, como la penicilina, no cruzan de manera efectiva la BHE. No así otros como el cloranfenicol, que sí son capaces de difundir a través de ella. Por lo tanto, para el tratamiento de infecciones donde los fármacos requieran alcanzar concentraciones óptimas dentro del SNC, como es el caso de las encefalitis, es primordial tener en cuenta su poder de difusión a través de la BHE por este mecanismo o algún otro.

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tienen una pobre difusión bajo condiciones normales, pero en sitios donde la BHE se ha visto expuesta a una respuesta inflamatoria aumentan considerablemente su poder de difusión.

Transporte mediado por transportador (Específico).

Transportador de glucosa: Son proteínas que actúan como canales. El transportador específico de glucosa de que se ubica en la BHE es el GLUT -1 de 55K. Como todos los canales son medios saturables, que en este caso tiene alta afinidad por la glucosa y además a la vitamina C. Cada célula endotelial debe tener dos pool de transportadores, uno ubicado en el lado apical que mueve glucosa desde la circulación hacia citosol y otro basolateral que mueve desde el citosol hacia el espacio pericapilar dejando disponible glucosa tanto para la glía como para las neuronas.

** Transportadores de glucosa hay a su vez en el astrocito (GLUT – 1 de 45K), la microglia (GLUT – 5 y GLUT – 1 de 45K) y la neurona (GLUT – 3 y GLUT – 1 de 45K); que tienen distintas estructuras, afinidades y flujos. Dándose por ej. que en el astrocito el flujo es bidireccional, a través de su membrana; y en la neurona es unidireccional hacia el citosol.

TODOS los aminoácidos, especialmente los aá esenciales, son movilizados de la circulación hacia el SNC por medio de transportadores específicos, con distintas afinidades según su carga iónica. Existiendo transporte específico para aá neutros, ácidos y básicos.

Transportador de aminoácidos neutros: Fenilalanina, triptófano, valina transporte esencial para la síntesis de neurotransmisores.

Transportador de aminoácidos ácidos: Glutamato, aspartato.

Transportador de aminoácidos básicos: Arginina, lisina.

Transporte mediado por receptores (Específico).

Este mecanismo de transporte tiene fundamentalmente 3 pasos:1.- Se debe generar la interacción ligando – receptor en el lado apical de la célula endotelial. 2.- Luego se activa en la célula endotelial un mecanismo de transporte llamado transcitosis, donde se endocita el receptor y su ligando, y son transportados por el citosol en una vesícula. 3.- Finalmente termina cuando se une la vesícula con la membrana basolateral, exponiendo el receptor hacia el intersticio, lugar en que se desprende de su ligando.

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Ejemplos de este transporte son el que utiliza la transferrina, la insulina, inmunoglobulinas, factores de crecimiento (IGF), lectina (hormona periférica producida por el tejido adiposo que regula a nivel del sistema nervioso central la saciedad del apetito).

Probablemente lo más interesante de conocer estos receptores, es la posible utilidad clínica que pueden tener. Actualmente se ha desarrollado la técnica del “Caballo de Troya”, que consiste en unir in vitro fármacos que no pasan la BHE a la insulina o transferrina de manera de utilizarlos como vehículos a través de ésta. Otros mecanismos de transporte.

- Transporte de iones - Unidos a moléculas de adhesión (proteína de transmembrana, del tipo actinas) con afinidad por

moléculas de alta carga catiónica. *Cationización de fármacos, permitiría transporte y posterior entrada de éste.

Estos mecanismos de transporte no fueron abordados en clases. Quedarán como AUTOAPRENDIZAJE.

Parkinson L – Dopa y BHE.

En la enfermedad de Parkinson, de manera muy general, lo que existe es un déficit de dopamina. Y en los inicios de la terapéutica de esta enfermedad lo que se utilizó fueron altas dosis de éste neurotransmisor, pero como ya se mostró anteriormente, su paso a través de la BHE es nula; por lo tanto no tuvieron mayor éxito.

Como la dopamina se produce a partir de la tirosina (un aá neutro), utilizaron un compuesto intermedio en la cadena de reacciones, que precede su formación última hacia la dopamina; llamado: L – Dopa (Pro – fármaco). Éste compuesto tiene 2 propiedades fundamentales. La primera es que al ser un compuesto químicamente muy similar a la tirosina, utiliza la vía de transportadores de aá neutros.Y la segunda es que la L – Dopa, difiere en su estructura de la Dopamina, únicamente en un grupo carboxilo. Ésta diferencia toma vital importancia, al existir en el citosol de las células endoteliales una enzima descarboxilasa, que permite llevar a cabo la ultima reacción para transformarse en dopamina. Ahora, una vez que se descarboxila y se genera este neurotransmisor, queda atrapado en el citosol de la célula endotelial, ya que no puede ser transportado hacia el intersticio y de esta manera queda inutilizado. Por lo que utilizaron mega dosis de L – Dopa para saturar la enzima, permitiendo que una porción de la dosis administrada no se descarboxilara dentro de la célula endotelial y pasara de esa manera la BHE indemne, para luego ser metabolizada a dopamina. Al existir receptores periféricos de dopamina, este mismo mecanismo se producía en otras células endoteliales del organismo generando muchas reacciones adversas debido a las altas dosis. Hasta que se comenzó a administrar en conjunto con un inhibidor de la MAO (descarboxilasa de monoaminas) que no atraviesa la BHE y así lograr reducir las dosis de L – Dopa, al mantener inhabilitada la enzima. Con lo cual se redujo los efectos adversos de las mega dosis de L – Dopa.

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Algunos fármacos pueden pasar al interior de las células endoteliales, quedando secuestrados por algún tiempo en el citosol y ser captados luego por proteínas pertenecientes a la familia: “Proteínas Resistentes a los fármacos” (que hacen los fármacos resistentes), como es el caso de la glicoproteína P, que los devuelven a la circulación.El conocimiento de las proteínas que ejercen esta función, permitirá su posterior bloqueo, y por ende, el ingreso de los fármacos al tejido nervioso.

Glicoproteína P y resistencia a las drogas.

Este es un mecanismo de transporte desde la célula endotelial hacia la circulación. La lleva a cabo un canal de 180 kDa, que moviliza moléculas desde su extremo citosólico de vuelta al lumen capilar. Las moléculas que transporta son principalmente de origen lipídico que difunden a través de la BHE sin una estricta regulación. Este tipo de transportadores son los principales responsables de la resistencia a drogas que tienen su efecto en el SNC. Ya que son propias de la BHE. De esta manera, es posible que estos puedan ser modulados para disminuir específicamente la resistencia a algunas drogas.

“La propiedad de barrera es regulada por el propio tejido nervioso, no por los vasos sanguíneos”.

Astrocitos y células endoteliales

Existe una “conversación cruzada” entre ambas células. Por un lado, las astroglias secretan compuestos que inducen la proliferación de las células endoteliales y su diferenciación, y éstas a su vez estas producen factores tróficos que promueven la proliferación de astrocitos.

Esto es un experimento demostró que al transplantar una zona de tejido nervioso periféricamente (en riñón, por ejemplo), se puede ver el desarrollo de barrera hemato-encefálica en los capilares originales del tejido nervioso.

Esto es importante en medicina porque en el caso de tumores primarios, como el astrocitoma (un tumor de crecimiento rápido, muy invasivo) los capilares en él presente y formados, desarrollan BHE de modo que se impide el tratamiento quimioterápico al no poder atravesarla.

Mientras que en el caso de tumores secundarios, metástasis de cáncer de pulmón por ejemplo, estos se producen en tejido epitelial, de modo que los capilares presentes y formados no desarrollan BHE, permitiendo el tratamiento por medio de fármacos que ingresarán al tejido nervioso (en este estado, de metástasis).

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Preguntas

¿Cuál es la manera más eficaz de atravesar la BHE?La forma más eficaz de atravesar la BHE, es mecánicamente, por medio de la administración de compuestos al LCR, ya que cualquier compuesto en él puede llegar a todas partes del tejido nervioso.

¿Qué ocurre con los desechos del SNC, cómo salen de este?En los senos venosos también existe BHE, pero el SNC no elimina desechos, existen mecanismos de regulación y transporte de iones por ejemplo y acumulación de desechos o cuerpos no digeribles en neuronas, pero no eliminación.En el caso de los medicamentos, antibióticos por ejemplo, éstos deberían salir por las vellosidades coroideas (sacan cosas del LCR hacia la sangre).

¿Cómo la morfina si no atraviesa la BHE causa adicciones?Porque se utilizan altas dosis y la adicción se produce gradualmente al unirse con mucha afinidad a los mismos receptores que los de las endorfinas del cerebro.

Bárbara Villacura V.

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